Print

Rostfria fästelement - lång


Kort version

1 Korrosion

Ett vanligt stål rostar i fuktig luft. Med lämplig ytbehandling kan rostangreppet fördröjas. När stål med ytbeläggning inte klarar korrosionen måste andra material väljas för fästelementen. Det naturliga valet är då så kallade rostfria eller syrafasta stål. Om stål legeras med minst 12 % krom bildas genom syrets påverkan en tunn men mycket korrosionsbeständig oxidhinna på ytan. Denna passiva oxidhinna nybildas om den genom slitage slits bort. Det innebär att fästelement i rostfritt stål mycket sällan rostar. Rostfritt stål omfattar en stor grupp stålsorter som innehåller minst 12 % krom och ofta nickel och/eller molybden.

Med höghållfasta rostfria fästelement motsvarande hållfasthetsklass 8.8 och 10.9 kan kompakta lättviktsförband med optimal prestanda byggas även för korrosiva miljöer. Rostfria/syrafasta fästelement fungerar normalt bra för montering även mot aluminium och magnesium. Den passiva ytan gör att det inte uppstår någon galvanisk cell.

 

Figur 1. Rostfria fästelement.

Begreppen rostfritt och syrafast

I vid benämning betecknas alla stål som håller över 12 % krom som rostfria men i dagligt tal betecknar rostfritt i första hand gruppen austenitiska stål av 18-8 typ (18 % Cr, 8 % Ni). Benämningen syrafast stål betecknar molybden-legerade stål av 18-10-3 typ (18 % Cr, 10 % Ni, 3 % Mo) samt ferrit-austenitiska stål. I mycket milda miljöer får även de lägst legerade kromstålen rostfria egenskaper. Skyddet förbättras emellertid med tillsats av mer krom och i viss mån även av nickel. Genom inlegering av molybden, som i de syrafasta stålen, erhålls passivskikt som inom vissa gränser motstår icke oxiderande kemikalier som t ex. svavelsyra och fosforsyra. Det syrafasta stålets upplösningsförmåga blir också lägre.

Passivering

På kall- och varmformade skruvar och muttrar kan det passiva oxidskiktet framställas genom behandling i passiverande syror. Anledningen till detta är att spänningar vid ytan från bearbetningen kan medföra att oxidskiktet inte bildas automatiskt. För att skruvarna och muttrarna från början ska vara så korrosionshärdiga som möjligt kan de passiveras efter tillverkningen. Då elimineras eventuella föroreningar på ytan som kan orsaka korrosion och ett extra kraftigt oxidskikt byggs upp.

Punktkorrosion

Ett ståls härdighet mot punktkorrosion avgörs framförallt av dess krom- och molybdenhalter, men även kvävehalten har stor inverkan. Den kritiska punktfrätningstemperaturen varierar med kloridhalten vid konstant potential. Punktkorrosionshärdigheten för olika stål kan jämföras genom det så kallade PRE-talet (Pitting Resistance Equivalent). PRE-talet anges vanligen som:

PRE = %Cr + 3,3 x %Mo + 16 x %N eller PRE = %Cr + 3,3 x %Mo + 30 x %N

Spaltkorrosion

Spaltkorrosion är närbesläktad med punktkorrosion men initieras vanligen vid betydligt lägre temperaturer. Om en miljö kan framkalla punktkorrosion över 60 °C, brukar spaltkorrosion kunna uppträda redan vid 30-40 °C. Betydelsen av Cr, Mo och N anses likvärdiga med vad som gäller för punktkorrosion. Mo och N anses något effektivare i att förhindra spaltkorrosion än punktkorrosion och i motsvarigheten till PRE-formeln ovan anges koefficienterna framför Mo och N till 4,1 respektive 27.

Allmän korrosion

Molybden förbättrar ett ståls beteende i bland annat icke oxiderande syror som svavelsyra. Detta gäller i ett flertal syror och andra svåra miljöer.

2 Val av material

Vid val av rostfritt material bör man sträva efter bästa avvägning mellan korrosionshärdighet, hållfasthet och kostnad. Rostfritt stål av typ A2 (SIS 2333 = AISI 304) kan användas tillsammans med de flesta rostfria stålsorter med samma eller lägre korrosionsmotstånd. Det har god härdighet vid måttliga korrosionspåkänningar, t ex. i luft utom vid kustklimat, i sött vatten, i oxiderande syror (ex. salpetersyra) och organiska syror (ex. citronsyra), samt i ett stort antal alkali- och saltlösningar. Det är dock inte lämpligt för användning mot icke oxiderande syror (ex. saltsyra och svavelsyra) och i kloridhaltiga miljöer som bräckt eller salt vatten samt saltade vintervägar. I icke oxiderande syror kan inte passivfilmen återbildas om den skadas. Där får man förlita sig på syrafasta stål och deras lägre upplösningshastighet i korrosiva medier. Syrafast stål typ A4 (SIS 2343 = AISI 316/316L) är avsett för svåra korrosionspåkänningar, t ex. havsklimat och i begränsad omfattning även i kloridhaltigt vatten samt i icke oxiderande syror. Dessa kvaliteter är de vanligaste för fästelement.

Härdbara legeringar av ferrit-martensit (SIS 2302/AISI 410), ferrit-austenit (SIS 2324/AISI 329) och matensitiskt stål (SIS 2321/AISI 431) används också där kraven på hög hållfasthet är viktigare än kraven på högsta korrosionshärdighet.

För mycket svåra korrosionsförhållanden kan speciella lösningar bli aktuella. Dessa bör utvärderas tillsammans med specialister och kan omfatta t ex. superlegeringar som Waspaloy, Hastelloy, Nimonic, Monel, Inconel, Incoloy Zirkalloy, samt titan, aluminium och koppar m fl. För ett riktigt materialval bör följande specificeras:

  • Applikation som fästelementet ska användas i.
  • Medium, vätska eller gas, som fästelementet kommer i kontakt med,
    dess sammansättning, temperatur och tryck.
  • De andra material fästelementet är i kontakt med i den aktuella vätskan.
  • Krav på mekaniska och fysikaliska egenskaper.
  • Uppgifter om tidigare använda material och problem.

3 Mekaniska egenskaper

Rostfria och syrafasta skruvar levereras i höghållfasta stål upp till hållfasthetsklass 80 och högre med motsvarande brott- och sträckgränsvärden som gäller för stålskruv 8.8 och 10.9. Ett ståls egenskaper påverkas av den temperatur det används vid. Då temperaturen ökar, faller hållfastheten. Högsta användningstemperaturen för vanliga rostfria skruvar ligger vid 600 °C. Det finns speciellt värmebeständiga legeringar i specialsortiment som tål användningstemperaturer på upp till 900 °C eller högre. Vid låga temperaturer blir normala låglegerade stål mycket spröda medan de rostfria austenitiska stålen behåller sin seghet och kan användas vid mycket låga temperaturer (≈ -200 °C).

Friktionskoefficienten för rostfritt och syrafast stål är hög (μ ≈ 0,4) och fästelement är därför oftast behandlade med speciellt framtagna smörjmedel för att minska risken för gängskärning. Det räcker att den ena av de gängade detaljerna är behandlad. Rostfria muttrar med sealer lagerförs därför som standard. Vid montering med mutter krävs normalt ingen extra smörjning men vid montering i gängat hål kan extra smörjning behövas.

Permeabilitet

Permeabilitet är ett mått på ett materials genomtränglighet för magnetfält.  Permeabilitetstalet km= 1,0 är helt omagnetiskt. Inom många högteknologiska tillämpningar är det mycket viktigt med låg permeabilitet.

Slagseghet

Vid mycket låga temperaturer blir normala låglegerade stål spröde medan de austenitiska stålen behåller sin seghet och kan användas vid mycket låga temperaturer. Ett ståls användbarhet vid dessa temperaturer, ner till -200 C, bestäms av dess slagseghet.

4 Sortiment och materialdata

Sortiment

Rostfria och syrafasta fästelement finns i ett brett sortiment i såväl standardutförande av skruv, mutter och brickor som specialprodukter. Utveckling av material med högre hårdhet har gjort att det nu även finns gängpressande skruv (plåtskruv) och gängformande skruv av typ Taptite i rostfritt och syrafast stål som fungerar för montering i konstruktionsstål och rostfritt/syrafast stål förutsatt att hårdheten är max 200 HV.

Beteckning och märkning

Beteckningssystemet för rostfria stålsorter och hållfasthetsklasser för skruvar och pinnskruvar visas i nedanstående figur. Beteckningen består av två skilda delar åtskilda av ett bindestreck. Den första delen anger stålsorten och den andra delen anger hållfasthetsklassen.

Stålsorterna betecknas dels genom en bokstav dels av en siffra. Bokstäverna är A, C och F, där A anger austenitiskt stål, C anger martensitiskt stål och F anger ferritiskt stål. Siffran visar omfång på den kemiska sammansättningen inom ståltypen.

Beteckningen för hållfasthetsklassen som är den andra delen efter bindestrecket består av två siffror och anger 1/10 av dragbrottgränsen hos fästelementet.

Exempel:

  1. A2-70 anger: austenitiskt stål, kallbearbetad och med dragbrottgräns
    på min 700 MPa.
  2. C4-70 anger: martensitiskt stål, härdat och anlöpt och med dragbrottgräns
    på min 700 MPa.

1) För beskrivning av ståltyper och stålsorter som anges i figuren hänvisas till ISO 3506-1, ISO 3506-2 och ISO 3506-3.
2) Lågkolhaltiga rostfria stål med kolhalt som ej överstiger 0,03% får dessutom märkas med ett L. Exempel: A4L-80.

Figur 2. Beteckningssystem för rostfria stålsorter och hållfasthetsklasser för skruvar och pinnskruvar.

Figur 3. Mekaniska egenskaper för skruvar och pinnskruvar-Austenitiska stålsorter.

Figur 4. Mekaniska egenskaper för skruvar och pinnskruvar-martensitiska och ferritiska stålsorter.

5 Provningsmetoder

All dragprovning och provbelastning skall utföras med dragprovmaskiner med självcentrerande gripanordningar för att förhindra sneddragning. Alla längdmätningar skall utföras med en noggrannhet av ± 0,05 mm eller bättre.

Brottgränsen Rm, skall bestämmas på fästelement med en längd som motsvarar 2,5 x den nominella gängdiametern (2,5d) eller längre. Den fria belastade gänglängden skall vara minst 1 x gängdiametern. Brottet skall uppträda mellan skruvhuvudets anliggningsyta och änden på undre hållaren.

Bestämning av spänning vid 0,2 % kvarstående förlängning skall endast utföras på färdiga skruvar dvs. ej provstav. Provningen är endast tillämpbar för fästelement vars längd är 2,5 x nominell gängdiameter (2,5d) eller längre.

För stålsorter A1 – A5, C1, C3, C4 och F1 gäller att brottgräns provas för alla storlekar ≥M5 då längden på skruven l ≥ 2,5d. För pinnskruvar är kravet l ≥3,5d.

För stålsorterna A1- A5 med storlekar < M5 gäller provning med vridbrottsmoment då l < 2,5d.

För stålsorterna C1, C3, C4 och F1 gäller provning hårdhetsprovning då l < 2,5d.

Referenser

ISO 3506-1.

Uppdaterad 2020-01-02

Website administered by Jan Skogsmo, RISE IVF AB, Box 104, 431 22 Mölndal.
Tel. 010-228 46 98. E-mail jan.skogsmo@ri.se